Pastilhas de Carboneto de Tungstênio TBM: Guia de Seleção, Desempenho e Fornecedor

Em um projeto de túnel em rocha dura, a cabeça de corte TBM é o único contato entre a máquina e o solo. Centenas de pastilhas de metal duro são montadas naquela cabeça de corte a qualquer momento. Cada um é responsável por quebrar rochas, transportar cargas e sobreviver em um ambiente que inclui poeira, água, vibração e grãos minerais duros. Se uma pastilha falhar precocemente, a cabeça de corte para, o túnel perde horas e uma equipe entra em um espaço confinado para substituí-la. A consequência não é apenas o custo da pastilha; é o custo da máquina não se mover. É por isso que a seleção de uma pastilha de metal duro TBM é uma decisão de projeto e não um pedido de peças de reposição.

Por que o carboneto de tungstênio é o padrão para pastilhas TBM

A razão básica é material. O carboneto de tungstênio, ou carboneto cimentado, é um compósito feito de partículas de carboneto de tungstênio unidas por uma matriz metálica de cobalto. As partículas de carboneto conferem ao material uma dureza extraordinária. O aglutinante de cobalto confere resistência para sobreviver a choques. As pastilhas TBM funcionam contra rochas que podem conter quartzo, que é mais duro do que quase todos os materiais de engenharia. Sob operação normal, a pastilha sofre altas cargas de compressão e cargas pontuais repentinas de faces rochosas irregulares. Um material muito duro irá lascar. Um material muito macio se desgastará rapidamente. O carboneto de tungstênio fornece um equilíbrio que nenhum outro material prático oferece.

O material pode ser ajustado dentro de limites. O teor de cobalto geralmente varia de cerca de 6% a 13%, e o tamanho do grão do carboneto de tungstênio pode ser fino, médio ou grosso. Um grão mais fino normalmente proporciona maior dureza e melhor retenção de arestas. Um grão mais grosso proporciona melhor tenacidade e resistência ao choque térmico. Para pastilhas TBM, a condição operacional é normalmente abrasiva e sujeita a choques, portanto, uma classe mais equilibrada é típica. Os valores de dureza para essas classes geralmente ficam na faixa HRA 86 a 92. Um grau específico deve ser selecionado somente após as condições da rocha serem conhecidas.

Na prática, isto significa que a mesma pastilha que funciona suavemente num túnel de argila macia e areia pode ter uma vida útil muito curta num túnel de granito duro. Uma classe boa para granito pode ser muito frágil para solos muito fraturados. Os dados de entrada que importam são o tipo de rocha, a resistência à compressão uniaxial e o teor de quartzo. Em resumo: a classe do material é o ponto de partida para a seleção da pastilha e deve corresponder ao terreno, não à máquina.

Inserir geometria: mais do que uma aresta nítida

As pastilhas TBM são frequentemente retratadas como dentes afiados, mas na verdade funcionam mais como raspadores e britadores. A geometria da pastilha determina como a carga é transferida para a rocha, como a pastilha se desgasta e quanta força é necessária para penetrar.

As principais características geométricas são o formato do nariz, o ângulo do nariz, a conicidade do corpo e a seção de montagem. Uma ponta cônica é comum e eficaz para penetrar rochas. Um nariz esférico ou mais rombudo espalha a área de contato, reduz o risco de lascamento e às vezes é preferido para rochas muito duras ou maciças. Uma ponta em forma de cinzel pode ser usada em alguns designs para criar uma quebra linear. Não existe uma única geometria melhor. A escolha depende da rocha esperada e do desenho da cabeça de corte.

Além do formato da ponta, o inserto deve ser mantido firmemente no suporte. Uma pastilha solta vibra, cria uma fenda no suporte e desgasta-se prematuramente. O corpo da pastilha geralmente é feito com um diâmetro ligeiramente maior que o furo ou ranhura, para que possa ser pressionado ou soldado no lugar. Esse ajuste é um dos motivos pelos quais as tolerâncias do trabalho de usinagem são importantes. Mesmo a nota correta não pode compensar um ajuste inadequado.

Uma boa compreensão da geometria das pastilhas também ajuda a equipe de túneis a reconhecer por que algumas pastilhas se desgastam em um padrão em forma de cone e por que outras desenvolvem um achatamento. O padrão de desgaste geralmente fornece informações sobre o ângulo de contato. Este conhecimento é útil para ajustar os parâmetros da cabeça de corte ou alterar o tipo de pastilha.

Para uma visão geral de como o design da pastilha TBM afeta o desempenho, você pode consultar este artigo em pastilhas de metal duro para máquinas de perfuração de túneis .

Fatores de seleção para pastilhas TBM

Selecionando o certo Inserção tbm não é uma decisão única. É um processo iterativo que começa com os dados geológicos do túnel e continua através de testes na cabeça de corte. A tabela a seguir lista os fatores de seleção mais importantes.

Este é um lugar onde um fornecedor pode agregar valor. Um fabricante profissional não irá simplesmente rotular uma pastilha como “dura” ou “para rock”. Eles solicitarão o relatório geológico, a especificação da cabeça de corte e o tamanho da pastilha necessária. Eles podem comparar a classe e a geometria selecionadas com dados típicos de desempenho. Este diálogo é particularmente importante quando o túnel passa por diversas zonas geológicas. Uma inserção de rocha dura pode funcionar na maior parte do percurso, mas uma seção mais suave ou uma zona de falha pode criar mudanças rápidas.

Uma prática comum é testar um ou dois designs de pastilhas no início de um projeto. O período de observação não precisa ser longo. Se as pastilhas apresentarem lascamento intenso, a classe é muito dura ou a geometria é muito pontiaguda. Se as pastilhas se desgastarem rapidamente, mas a rocha não for particularmente abrasiva, a classe é muito macia ou os parâmetros da cabeça de corte estão errados. Esses testes revelam como a rocha real se comporta sob a máquina, o que é sempre melhor do que uma suposição de laboratório.

Qualidade de fabricação e o problema da consistência

A classe e a geometria são a parte visível da seleção da pastilha. A parte invisível é a consistência da fabricação. O carboneto de tungstênio é produzido a partir de pó. Se o pó estiver mal misturado, se a distribuição granulométrica variar ou se o processo de sinterização não for controlado, as pastilhas de um lote podem se comportar de maneira diferente de outro. Em um túnel, essa inconsistência é muito difícil de aceitar porque a cabeça de corte carrega muitas pastilhas ao mesmo tempo. Se uma em cada cem pastilhas se desgastar rapidamente, pode criar uma área local na face do túnel que não está totalmente cortada, deixando um grande pedaço de rocha que deve ser quebrado pelo cortador vizinho.

A produção de uma pastilha TBM confiável requer uma linha de produção integrada. Em nossas instalações em Changzhou, China, começamos com a prensagem de pó de carboneto de tungstênio usando prensas TPA. Este método usa um perfil de pressão controlado para criar um corpo verde com forma e densidade consistentes. O corpo verde é então sinterizado em fornos de sinterização de baixa pressão. A sinterização a baixa pressão reduz a porosidade residual final e produz uma estrutura mais fina e densa. Uma estrutura densa com poucos poros está diretamente ligada a uma melhor resistência ao desgaste e menor risco de fratura.

Após a sinterização, as pastilhas são retificadas até as dimensões finais e acabamento superficial. A retificação de precisão é feita em retificadoras CNC de cinco eixos e a geometria da ferramenta é verificada com equipamento digital de configuração de ferramentas. Para ferramentas redondas e outros componentes de precisão, nossa produção segue um padrão de produção alemão reconhecido. Este sistema nos dá uma referência para tolerâncias e vida útil da ferramenta. Os instrumentos de fiscalização fazem parte do processo; eles não são removidos do ambiente de produção e usados ​​apenas para verificações finais. Eles também são usados ​​para controlar a operação de retificação da máquina.

A empresa é certificada pela ISO9001 e ISO14001. Estas certificações indicam que o sistema de produção é auditado e que os processos de gestão ambiental e de qualidade estão implementados. Para um projeto de túnel, esse nível de controle suporta um objetivo simples, mas importante: as inserções que chegam ao local devem se comportar de forma consistente com as inserções que foram testadas.

Vida e custo da inserção no mundo real

O custo de uma inserção TBM é pequeno comparado ao custo do tempo de inatividade do túnel. Esta é a razão pela qual a seleção de pastilhas deve ser vista como um fator de produtividade e não apenas como um item de linha de compra.

Uma pastilha mal adaptada também pode criar problemas de geometria. Se uma pastilha apresentar desgaste irregular, o disco cortador pode parar de girar e cortar uma borda plana na rocha. Isto aumenta a resistência ao corte de toda a cabeça de corte. Os empreiteiros de escavação de túneis sabem que o custo de uma parada inesperada da cabeça de corte não é apenas a mão de obra ou as peças novas; é também a perda de produção e o risco para o cronograma.

Uma prática eficaz é rastrear a vida útil do inserto por zona do túnel, em metros de avanço. Isto cria uma curva de desempenho simples que pode ser comparada com o tipo de rocha. Quando a pastilha atingir o fim de sua vida útil, uma substituição planejada poderá ser feita em local seguro. O material utilizado na pastilha, sua geometria e sua qualidade de fabricação contribuem para esse plano.

A relação entre a escolha da pastilha, as condições da rocha e o desempenho da cabeça de corte é abordada com mais detalhes em nosso artigo sobre por que as pastilhas de metal duro da TBM são cruciais para construção subterrânea .

A pastilha de metal duro TBM é um componente pequeno com enorme influência no progresso do túnel. O material deve ser resistente à abrasão. A geometria tem que combinar com a rocha. A classe deve corresponder à cabeça de corte real. E a fabricação tem que produzir peças consistentes. Quando esses fatores se encaixam, a pastilha funciona conforme projetado para uma distância previsível. Quando um fator está errado, quem sofre é a máquina. Os compradores e engenheiros de túneis devem tratar a seleção da pastilha como uma negociação técnica: reunir os dados geológicos, discutir o projeto da cabeça de corte e exigir um fornecedor que possa controlar todo o processo de produção. Os dias em que a cabeça de corte fica abaixada são mais caros do que a própria pastilha.